Een gastpost door Dave Ware van Whalebone Photography.
Deze notitie is bedoeld als een snelle bespreking van High Dynamic Range en mogelijke toekomstige verbeteringen om dit te verbeteren.
Wat is een hoog dynamisch bereik?
High Dynamic Range is een digitaal verwerkingseffect dat in de fotografie wordt gebruikt om een aantal afbeeldingen met verschillende belichtingen te combineren om een consistent belicht beeld over het hele frame te creëren. Dit verhoogt de luminantie (hoeveelheid licht) die zichtbaar is in een afbeelding.
Waarom is het vereist?
De beperking van de hoeveelheid kleur en helderheid die de camera kan opnemen, wordt bepaald door de mogelijkheden van de sensor en het dynamisch bereik van de elektronica van de camera. De Canon EOS 40D maakt bijvoorbeeld gebruik van een 14 bit analoog naar digitaal converter die de analoge signalen van de sensor digitaliseert. Met de 14 digitale bits kunnen 16.384 verschillende kleuren in de camera worden opgenomen.
Als je een histogram bekijkt, is de horizontale as het luminantieniveau van een afbeelding. De verticale as geeft de hoeveelheid van de afbeelding weer die dat lichtniveau bevat. Een histogram met een enkele lijn aan de linkerkant laat bijvoorbeeld zien dat het beeld puur zwart is. Evenzo vertegenwoordigt een enkele lijn aan de rechterkant een afbeelding die puur wit is. De hoeveelheid gegevens die in het histogram kan worden gecomprimeerd, wordt beperkt door het dynamische bereik van de camera. Een zeer laag dynamisch bereik zorgt ervoor dat de horizontale aslimieten dicht bij elkaar liggen. Een hoog dynamisch bereik plaatst deze assen ver uit elkaar.
Hier is de belichting van de camera ingesteld voor de ballonnen - dit werd gekozen omdat de ballonnen het onderwerp van de afbeelding waren en de bomen in dit geval werden gebruikt om de ballonnen 'in te kaderen'. Het histogram toont de piek aan de linkerkant van het histogram die de bomen voorstelt, en de gegevens aan de rechterkant vertegenwoordigen de ballonnen en de lucht. Als de fotograaf zowel de ballonnen als de bomen had willen zien, zou een compromis nodig zijn geweest, zodat de ballonnen iets overbelicht worden en de bomen slechts licht onderbelicht.
De bovenstaande afbeelding toont het traditionele compromis: de lucht heeft een deel van zijn verzadiging in kleur verloren, maar de bomen hebben wat detail behouden. Merk ook op dat het histogram een iets smallere piek aan de rechterkant laat zien (de ballonnen zijn nu iets overbelicht), en de linkerrand geeft aan dat er meer detail aanwezig is (de bomen zijn niet langer een volledig silhouet).
Om dit te verhelpen, kan de fotograaf een foto maken die is belicht voor de achtergrond en vervolgens een andere foto die is belicht voor de voorgrond. Tussen deze twee opnamen worden meestal nog een paar andere foto's gemaakt.
Door elke afbeelding te combineren, ontstaat er een visueel aantrekkelijke afbeelding en kunnen de effecten behoorlijk dramatisch zijn. Dit is de basis van digitale HDR. Een snelle Google-zoekopdracht levert nog wat meer voorbeelden op.
De toekomst van HDR
Momenteel is HDR een nabewerkingstechniek, maar naarmate camera's vorderen, is het mogelijk dat dit een gebied is dat door fabrikanten echt kan worden verbeterd.
Het dynamisch bereik van de camera wordt waarschijnlijk verbeterd. Met de hierboven genoemde 14-bits ADC kunnen 16.386 kleuren worden opgenomen. 24-bits ADC's worden al vele jaren geproduceerd, waardoor in totaal iets minder dan 17 miljoen kleuren kunnen worden opgenomen! De sensor zou in staat moeten zijn om dit dynamische bereik te evenaren en de interne processor van de camera zou in staat moeten zijn om de gegevens te verwerken. Deze mogelijkheid bestaat al zoals blijkt uit homecomputers die jarenlang met 32 bits hebben gewerkt en nu tot 64 bits worden verwerkt. Of de sensor hiertoe in staat is of niet, is een andere kwestie die ter discussie staat en de vereiste extra verwerking zou de tijd om de gegevens naar de geheugenkaart te schrijven verlengen. Dit kan het aantal frames op volle snelheid beperken dat wordt gemaakt voordat de cache vol is en de camera de beelden naar de geheugenkaart schrijft. Deze nadelen zijn misschien wat de ontwikkeling van een groter dynamisch bereik in de camera belemmert, want met veel voordelen is er vaak een nadeel.
Een andere ‘in camera’ -techniek is mogelijk het gebruik van talloze sensoren in de camera. Als één sensor en bijbehorende elektronica in staat kan zijn tot een bepaald dynamisch bereik, dan kunnen 2 sensoren worden gebruikt om het totale dynamische bereik te vergroten. Zo kan één sensor belichten voor de hooglichten en kan 1 sensor worden gebruikt om voor de schaduwen te belichten, waardoor een hoger dynamisch bereik ontstaat. Sensoren kunnen ongelooflijk klein worden gemaakt - kijk maar naar de grootte van telefoons met talloze megapixelcamera's, en dus is het waarschijnlijk geen probleem om twee sensoren (of meer!) In één camera te persen. Naarmate de sensorgrootte echter afneemt, wordt de ruis van het opgenomen beeld (de ‘korreligheid’ van het beeld) groter. Nogmaals, dit is een afweging tussen een hoog dynamisch bereik, beeldkwaliteit en grootte.
Een andere methode zou kunnen zijn om een alternatief tooncurve-algoritme te gebruiken dat momenteel algemeen wordt toegepast op beelden in de camera. Wanneer een foto wordt gemaakt, worden signalen van de sensor omgezet in digitale bits en naar de computer van de camera gestuurd. Om deze signalen te begrijpen, verwerkt de computer de gegevens en verandert ze in iets zinvols. Dit is een vorm van tooncurve. Normaal gesproken wordt dit over het hele beeld als ‘gemiddelde’ gebruikt. Moderne technieken kunnen echter een individuele tooncurve toepassen op elke afzonderlijke pixel in het beeld. Dit kan een beeld weergeven dat op een vergelijkbare manier wordt belicht als het menselijk oog (dwz met een hoger dynamisch bereik). Dit zal onvermijdelijk de verwerkingstijd binnen de camera verlengen, hoewel de huidige methode van HDR-beeldvorming is om meerdere foto's te maken met verschillende belichtingen, waardoor de extra verwerkingstijd voor één enkele opname waarschijnlijk nog steeds een enorme tijdwinst oplevert.
Deze nieuwe tooncurvemethode wordt door bedrijven ontwikkeld en Samsung heeft onlangs een licentie gekocht om de technologie te gebruiken.
Misschien hebben andere fabrikanten een alternatieve methode, of vinden ze een hoog dynamisch bereik niet van groot belang in hun camera's, of wachten ze gewoon hun tijd af. Deze technologie is nog in ontwikkeling en is een spannend gebied van cameratechnologie, vooral omdat de megapixelstrijd oud nieuws aan het worden is.
High Dynamic Range-technieken kunnen te veel worden gebruikt en afbeeldingen kunnen gemakkelijk onnatuurlijk worden gemaakt. De reden dat ze onnatuurlijk zijn, is omdat ze het bereik van het menselijk oog vergroten. Het zou triest zijn als technologie de authenticiteit van fotografie zou wegnemen, die deze kunst scheidt van de schilderkunst (waar zowel compositie als belichting alleen beperkt zijn tot de verbeelding). Als technologie echter in staat zou zijn om de beelden te repliceren zoals gezien door het menselijk oog, dan is dat misschien een acceptabele technologische mijlpaal.
Bekijk meer van Dave's werk bij Whalebone Photography.